机械振动测试与分析.ppt

第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析1测试技术基础第八章 机械振动测试与分析 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析2主要内容8.1 概述8.2 振动的基本知识8.3 振动的激励8.4 测振传感器(拾振器)8.5 振动信号分析仪器8.6 振动测试系统及数据处理实例8.7 机械结构的固有频率和阻尼率估计8.8 小结第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析3小轿车的乘坐舒适性试验框图小轿车的乘坐舒适性试验框图 8.1 概述第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析4振动研究所涉及的问题 振动分析振动分析 已知激励条件和系统的振动特性，求系统的响应已知激励条件和系统的振动特性，求系统的响应 系统识别系统识别 已知系统的激励和系统的响应，求系统的特性已知系统的激励和系统的响应，求系统的特性 环境预测环境预测 已知系统的振动特性和系统的响应，确定系统的激励状态已知系统的振动特性和系统的响应，确定系统的激励状态 机械振动测试系统的一般组成框图机械振动测试系统的一般组成框图 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析58.2 振动的基本知识机械振动的测量方法按振动信号的转换方式分为：相对测量法：测量参考点为系统中的某固定点或运动点绝对测量法：测量参考点为系统外的某一点，该点相对于地球是静止不动的。电测法机械测量法光测法按照测量时选择参考点的不同，可分为：第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析6按照振动产生的原因 自由振动受迫振动 自激振动振动频率和固有频率之间的关系为 其中，n为系统的固有频率，为阻尼率 系统的振动频率为激振频率 振动频率接近于系统的固有频率。8.2.1 振动的分类 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析7按系统的输出分 简谐振动周期振动瞬态振动 随机振动 按系统自由度分 单自由度系统振动 多自由度系统振动 连续弹性体振动 按系统结构参数的特性分 线性振动 非线性振动 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析8力作用在质量块上的单自由度系统质量m在外力的作用下的运动方程为 式中，c为粘性阻尼系数，k为弹簧刚度。(t)为系统的激振力，即系统的输入，z(t)为系统的输出。拉氏变换 ms2z(s)+csz(s)+kz(s)=f(s)传递函数为 8.2.2 单自由度系统的受迫振动 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析9令s=j，则 力作用在质量块上的单自由度系统系统的固有频率 系统的阻尼率 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析10幅频曲线 相频曲线 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析11在幅频曲线上幅值最大处的频率称为位移共振频率 随着的阻尼的增加，共振峰向原点移动；当无阻尼时，位移共振频率r即为固有频率n 当系统的阻尼很小时，位移共振频率r接近系统的固有频率n，可用作为的估计值。幅频曲线 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析12不管系统的阻尼率为多少，在/r=1时位移始终落后于激振力90，此现象称为相位共振。相频曲线 利用相频特性来确定固有频率比较准确 幅频曲线 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析13由基础运动所引起的受迫振动 单自由度系统的基础振动 力作用在质量块上的单自由度系统第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析14单自由度系统的基础振动 设基础的绝对位移为Z1，质量m的绝对位移为Z0，则系统的振动可用方程式表示为：拉氏变换并，令s=j 得系统的幅频特性和相频特性 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析15幅频曲线 相频曲线 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析16多自由度系统的振动方程式一般是相互耦合的常微分方程组多自由度系统的振动方程式一般是相互耦合的常微分方程组 通过座标变换，可以把系统的振动方程变成一组相互独立的二阶常微通过座标变换，可以把系统的振动方程变成一组相互独立的二阶常微分方程组，其中的每一个方程式可以独立求解分方程组，其中的每一个方程式可以独立求解 系统参数由若干个固有频率、阻尼率、当量刚度、当量质量、主振型等系统参数由若干个固有频率、阻尼率、当量刚度、当量质量、主振型等参数。参数。多自由度系统在特定条件下，都按某一阶固有频率进行简谐振动，这种振动称为主振型 二自由度系统振型 8.2.3 多自由度系统振动 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析17机械阻抗:线性动力学系统在各种激励的情况下，在频域内激励与响应之比 K(s)=F(s)/Y(s)传递函数 频率响应函数 H(s)=Y(s)/F(s)H()=Y()/F()机械系统框图机械阻抗为系统传递函数或频率响应函数的倒数 K()=F()/Y()机械阻抗的倒数为频率响应，又称为机械导纳 8.2.4 机械阻抗的概念 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析18设激振力为(t)=F0ejt 位移阻抗 速度阻抗 加速度阻抗 位移导纳 速度导纳 加速度导纳 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析198.3 振动的激励 1)激励部分 实现对被测系统的激励(输入)，使系统发生振动。它主要由激励信号源、功率放大器和激振装置组成。2)拾振部分 检测并放大被测系统的输入、输出信号，并将信号转换成一定的形式(通常为电信号)。它主要由传感器、可调放大器组成。3)分析记录部分 将拾振部分传来的信号记录下来供以后分析处理或直接近行分析处理并记下处理结果。它主要由各种记录设备和频谱分析设备组成。第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析20稳态正弦激振 施加一个稳定的单一频率的正弦激振力，(t)=F0sint。随机激振优点：设备通用，可靠性较高 缺点：需要较长的测定时间 一般进行扫频激振，通过扫频激振获得系统的大概特性，而在靠近固有频率的重要频段进行稳态正弦激振获取严格的动态特性 用白噪声或伪随机信号发生器作为振动的信号源进行的激振 Sxy(jf)=H(jf)Sx(jf)该方法具有快速实时的优点，但设备较复杂，价格昂贵.带宽激振法 8.3.1 激振的方式 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析21瞬态激振 快速正弦扫描激振 脉冲激振 阶跃激振 采用周期为T的频率线性变化的正弦信号进行激励(t+T)=(t)=A0sin2(at+b)t (0t(78)n时，相位差接近-180，此时满足测试相位不失真的条件。使惯性式拾振器的固有频率较低，同时使系统的阻尼率在0.50.7之间，这样可以保证工作频率的下限到=1.7n，幅值误差不超过5 当使用(78)n进行相位测试时，需要用移相器获得相位信息。设计和使用惯性式拾振器时 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析282、选择测振传感器的原则 采用位移传感器的情况 用速度传感器的情况 采用加速度传感器的情况 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析298.5 振动信号分析仪器 1、振动计 2、频率分析仪 3、频率特性与传递函数分析仪 4、数字信号处理系统 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析308.6 振动测试系统及数据处理实例 汽车平顺性测试系统框图汽车平顺性测试系统框图 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析31汽车的平顺性测试过程框图 40km/h稳速直线行驶驾驶员座椅各方向的加速度曲线稳速直线行驶驾驶员座椅各方向的加速度曲线 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析32矩形窗、汉宁窗和海明窗归一化频谱特性图矩形窗、汉宁窗和海明窗归一化频谱特性图 驾驶员坐椅横向加速度自功率谱密度函数驾驶员坐椅横向加速度自功率谱密度函数 驾驶员坐椅垂向加速度自功率谱密度函数驾驶员坐椅垂向加速度自功率谱密度函数 驾驶员坐椅纵向加速度自功率谱密度函数驾驶员坐椅纵向加速度自功率谱密度函数第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析33不同车速下驾驶员坐椅处加权加速度方均根及振级速速 度度/km/h40506070800.09510.22510.35510.45510.565199.563107.047111.007113.162115.042主观感主观感觉觉没有不没有不舒服舒服没有不没有不舒服舒服有一些有一些不舒服不舒服有一些有一些不舒服不舒服相当不相当不舒服舒服第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析34机械结构各模态有如下参数 固有频率、阻尼率、当量刚度、当量质量等参数 对多自由度系统还有特定参数：主振型 自由振动法 估计方法稳态正弦激励法 共振法总幅值法分量法矢量法8.7 机械结构的固有频率和阻尼率估计 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析351、总幅值法 1)固有频率n的估计 若0.1，r=n 若不小于0.1或要精确估计n值，需要先估计的值 幅频曲线 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析362)阻尼率的估计 幅频曲线 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析37若在n附近取2-1=，2+1=2n，且足够小，此时=1，或=2，则单自由度系统的幅频特性曲线 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析38由于在n附近，即/n1 单自由度系统的幅频特性曲线 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析39若 解上式，得 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析40实部部分：虚部部分：2、分量法 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析41第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析42实部频率曲线 虚部频率曲线 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析43分析 当=n时，当 时，实部具有最大值；当 时，实部具有最小值；第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析44此时 则实部频率曲线 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析45在 时，Im(j)具有极小值虚部频率曲线 当 时 成立 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析46可按如下方法求模态的固有频率和阻尼率 在同相分量曲线中，满足实部分模为零的频率为固有频率n；在正交分量曲线中，峰值对应的频率为固有频率n 求系统的阻尼率 实部频率曲线 虚部频率曲线 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析473、矢量法 多自由度系统的位移导纳的奈奎斯特图 在M点左右任取两点求值 单自由度系统的位移导纳的奈奎斯特图 第第第第8 8章章章章 机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析机械振动测试与分析488.8 小结 振动的基本知识，振动的分类，单自由度系统的受迫振动，多自由度系统振动，机械阻抗的概念。笔式记录仪、检流计式笔录仪和函数记录仪的基本工作原理。振动的激励激振的方式：稳态正弦、随机和瞬态激振。激振设备：电动式、电磁式和电液式激振器。测振传感器：惯性式和压电式加速度拾振器；二者的工作原理。选择测振传感器的原则。振动信号分析仪器：振动计，频率分析仪，频率特性分析仪或传递函数分析仪，数字信号分析仪。机械结构的特征参数固有频率和阻尼率计算方法：估计总幅值法，分量法和矢量法。